« » ФИЗИЧЕСКАЯ И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ

ФИЗИЧЕСКАЯ
И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ
Методические указания
к лабораторной работе
«КРИОСКОПИЯ»
Для студентов направлений
260100 «Продукты питания из растительного сырья»,
260800 «Технология продукции и организация
общественного питания», 261400 «Технология
художественной обработки материалов»
Составители: И. В. Мишенина, А. Х. Абрамьян
Владикавказ 2014
0
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
Кафедра химии
ФИЗИЧЕСКАЯ
И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ
Методические указания
к лабораторной работе
«КРИОСКОПИЯ»
Для студентов направлений
260100 «Продукты питания из растительного сырья»,
260800 «Технология продукции и организация
общественного питания», 261400 «Технология
художественной обработки материалов»
Составители: И. В. Мишенина, А. Х. Абрамьян
Допущено редакционно-издательским советом
Северо-Кавказского горно-металлургического
института (государственного технологического
университета).
Протокол № 24 от 02.07.2013 г.
Владикавказ 2014
1
УДК 544; 544.7
ББК 24.5; 24.6
М71
Рецензент кандидат химических наук,
доцент СКГМИ (ГТУ) Тиникашвили Н. А.
М71
Физическая и коллоидная химия: Методические указания к лабораторной работе «Криоскопия». Для студентов направлений 260100 «Продукты питания из растительного сырья», 260800
«Технология продукции и организация общественного питания»,
261400 «Технология художественной обработки материалов» /
Сост.: И. В. Мишенина, А. Х. Абрамьян; Северо-Кавказский горнометаллургический институт (государственный технологический
университет). – Владикавказ: Северо-Кавказский горно-металлургический
институт
(государственный
технологический
университет). Изд-во «Терек», 2013. – 10 с.
В теоретической части рассматриваются условия фазового
равновесия, приводится анализ уравнения Клаузиуса – Клайперона, в
экспериментальной части изучается зависимость температур кипения
смеси ацетона и воды от давления в системе.
УДК 544; 544.7
ББК 24.5; 24.6
Редактор: Хадарцева Ф. С.
Компьютерная верстка: Кравчук Т. А.
 Составление. Северо-Кавказский горно-металлургический
институт (государственный технологический университет),
2014
 Мишенина И. В., Абрамьян А. Х. Составление, 2014
Подписано в печать 10.01.14. Формат бумаги 60х84 1/16. Бумага офсетная.
Гарнитура «Таймс». Печать на ризографе. Усл. п.л. 0,58. Тираж 25 экз. Заказ № ____.
Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный
технологический университет). Изд-во «Терек».
Отпечатано в отделе оперативной полиграфии СКГМИ (ГТУ).
362021. Владикавказ, ул. Николаева, 44.
2
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Определение осмотического давления растворов и биологических
жидкостей с помощью осмометров довольно затруднительно и не отличается большой точностью, так как применяющиеся оболочки в
действительности не являются строго полупроницаемыми, т. е. частично пропускают молекулы или ионы некоторых растворенных веществ, а не только молекулы растворителя.
Поэтому для определения осмотической концентрации растворов
и биологических жидкостей прибегают к более простым и точным методам определения других свойств растворов, находящихся в зависимости от осмотической концентрации, например, давления пара над
раствором или, еще чаще температуры замерзания. Впервые зависимость понижения температуры замерзания растворов от их концентрации установил М. В. Ломоносов (1748).
По закону Рауля, относительное понижение давления пара разбавленного раствора нелетучего неэлектролита прямо пропорционально молярной (мольной) доле растворенного вещества:
𝑝0 − р
𝑝0
=
𝑛
𝑁+𝑛
,
где р0 – давление пара чистого растворителя;
р – давление пара раствора;
n – число молей растворенного вещества;
N – число молей чистого растворителя.
Если n мало по сравнению с N, то
в знаменателе величиной n можно
р₀−р
𝑛
пренебречь, тогда р₀ = – 𝑁.
Рис. 1. Кривые давления
паров воды (АВ),
раствора(CD) и льда(СА).
На рис. 1 представлены кривые
давления пара чистого растворителя
(воды) – АВ, раствора – CD и растворителя в твердом состоянии (льда) – СА.
Температура замерзания – это
температура, при которой давление
пара растворителя в жидком состоянии или раствора равно давлению пара растворителя в твердом состоянии
(точки А и С).
Температура кипения – это температура, при которой давление пара
3
растворителя или раствора равно атмосферному давлению (точки
B и D).
Вследствие пониженного давления пара температура замерзания
раствора Т₃ ниже, а температура кипения Тк выше, чем чистого растворителя. Разность между температурами замерзания чистого растворителя и раствора Т₁ – Т₂ = ∆Т называется депрессией, или понижением температуры замерзания раствора.
Понижение температуры замерзания (или повышения температуры кипения) разбавленного раствора неэлектролита прямо пропорционально моляльной концентрации его С: ∆Т = КС.
Откуда
С=
∆Т
К
и К=
∆Т
,
С
(1)
где К – постоянная для данного растворителя величина, называемая
соответственно криоскопической (или эбулиоскопической) константой. Она равна депрессии одномоляльного раствора неэлектролита и
зависит только от природы растворителя, но не от природы растворенного вещества.
Для определения осмотической концентрации обычно измеряют
понижение температуры замерзания раствора (криоскопия) или реже
повышение температуры кипения раствора (эбуллиоскопия).
Криоскопические постоянные важнейших растворителей даны в
табл. 1.
Таблица 1
Температура
замерзания, С
0
16,6
5,7
5,6
80,1
40,0
54
47,9
178,0
Растворитель
Вода
Уксусная кислота
Бензол
Нитробензол
Нафталин
Фенол
Дифениламин
Бензофенон
Камфора
К
1,85
3,9
5,1
6,9
7,1
7,8
8,8
9,5
40–49
Подставляя значения К для водных растворов электролитов в
уравнение (1), получим:
4
∆Т = 1,86 С и С 
T
(2)
1,86
Для биологических жидкостей
и растворов электролитов в уравнение вводят осмотическую концентрацию:
∆Т = 1,86 Сосм и Сосм 
T
. (3)
1,86
Из уравнений (3) и (1) получим уравнения для электролитов:
∆Т = 1,86 Сi и
С
T
(4)
1,86
Подставив значение осмотической концентрации раствора
уравнения (2) в уравнения (3) и
(4), получим выражение для вычисления осмотического давления
по депрессии:
Р=
Рис. 2. Прибор для определения
депрессии растворов
и биологических жидкостей.
T
R₀T (при 0 ⁰С).
1,86
Депрессию определяют с помощью прибора Бекмана, изображенного на рис. 2.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Работа 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕПРЕССИИ РАСТВОРОВ
И БИОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ
Так как биологические жидкости являются довольно сложными
водными растворами различных веществ, то определение депрессии
для них производится так же, как и для обычных водных растворов.
5
Установка термометра Бекмана
Термометр Бекмана имеет условную
шкалу, обычно от 0 до 5–6 С, разделенную на сотые доли градуса.
С помощью лупы возможен отсчет с
точностью до тысячных долей градуса.
Верхняя часть капилляра имеет двойной
изгиб с запасным резервуаром ртути
(рис. 3).
В зависимости от температуры замерзания применяемого растворителя в шарике термометра должно содержаться
столько ртути, чтобы при замерзании чистого растворителя мениск ртути в капилляре находился между 3 и 5˚ шкалы.
Установка термометра для определения депрессии водных растворов и биологических жидкостей производится следующим образом.
Нагревают шарик термометра рукой
Рис. 3. Верхняя часть
или
в
горячей воде до тех пор, пока ртуть
термометра Бекмана.
поднимется по капилляру до верхней части запасного резервуара. Перевернув
термометр и осторожно постукивая по нему пальцем, заставляют
ртуть запасного резервуара соединиться с ртутью, выступившей из
капилляра. После этого термометр осторожно возвращают в нормальное положение, погружают его шарик в ванну с температурой 2–3 С
(вообще, на 2–3  выше температуры замерзания соответствующего
растворителя). Через 2–3 мин, не вынимая термометр из ванны, легким постукиванием заставляют выступающий из капилляра избыток
ртути оторваться от капилляра и упасть в нижнюю часть запасного
резервуара.
Для предварительной проверки шарик погружают в воду со льдом
(0 С); мениск ртути при этом должен остановиться между 5 и 3 шкалы. После этого точно устанавливают нулевую точку, как описано
ниже.
Установленный термометр требует осторожного обращения. Недопустимы удары, толчки, сотрясения, горизонтальное положение и
6
перевертывание термометра. По окончании работы термометр помещают в устойчивую банку, дно которой устлано толстым слоем ваты.
Для определения депрессии чистого растворителя и раствора из
первого значения вычесть второе.
Определение температуры замерзания
чистого растворителя (воды)
В специальную чистую сполоснутую дистиллированной водой
пробирку 1 (см. рис. 2) наливают столько дистиллированной воды,
чтобы уровень ее был выше шарика термометра примерно на 1 см. С
помощью пробирки укрепляют в более широкой пробирке 3 (воздушная рубашка), укрепленной в крышке 4 и покруженной в сосуд 5 с
охлаждающей смесью из воды, соли и толченого льда (или снега), для
перемешивания которой служит мешалка 6. Без пробирки 3 определение менее точно.
Температура перемешанной охлаждающей жидкости должна
быть на 2–3 ниже 0 С по обычному термометру.
Наблюдают за перемещением мениска ртути в капилляре и, когда
он опуститься примерно на 0,3 ниже предварительно найденной точки замерзания, энергично (2–3 раза в секунду) перемешивают воду в
пробирке 1 мешалкой 2 для устранения сильного переохлаждения,
вследствие начавшейся кристаллизации мениск ртути быстро перемещается вверх, достигает максимума, останавливается и затем опять
понижается. Максимальная температура и есть температура замерзания чистого растворителя; с помощью лупы ее отсчитывают с точностью до тысячных долей градуса, предварительно слегка постучав по
термометру для устранения прилипания ртути к стенкам капилляра.
Вынимают пробирку 1 (не вынимая из нее термометра), теплотой
руки расплавляют образовавшийся лед, после чего повторяют определение температуры замерзания воды. Разница между определениями
при точной работе не должна превышать 0,004. Среднее значение
определений принимают за температуру замерзания чистого растворителя.
Чтобы не допустить большого переохлаждения воды и водных
растворов, рекомендуется вместо энергичного перемешивания производить «заражение» их кристалликами льда. Для этого заранее в
обыкновенную пробирку кладут несколько чистых стеклянных пробирок, смачивают их 2–3 каплями дистиллированной воды, встряхивают
и погружают пробирку в охлаждающую смесь. Тонкий слой воды на
7
пробирках замерзает. Для «заражения» переохлажденной на 0,3 воды,
водного раствора или биологической жидкости одну из этих пробирок
вносят через боковую трубочку в пробирку 1.
Определение температуры замерзания раствора
В чистую и сухую пробирку наливают исследуемый раствор и,
проверив температуру охлаждающей смеси (которая должна быть на
2–3 ниже ожидаемой температуры замерзания исследуемой жидкости), производят два или три определения, как указано выше, и берут
среднее значение. Находят депрессию, а по депрессии – осмотическое
давление жидкости при заданной температуре, например при 37 С.
Запись эксперимента должна проводиться по следующей форме:
Форма записи
Раствор
Отсчеты температуры
1-й
2-й
среднее
Т
Р
Вода дистиллированная
Уксусная кислота
Работа 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОГО ВЕСА
РАСТВОРЕННОГО НЕЭЛЕКТРОЛИТА
𝑚
Так как молярная концентрация С = , где m – число граммов ве𝑀
щества в 1000 г растворителя, а М - молекулярный вес исследуемого
𝑚
вещества, то уравнение (1) приобретает следующий вид: ∆T = K ,
𝑀
откуда
𝐾𝑚
M = ∆𝑇 .
(5)
Если а г вещества растворено в b г растворителя, то количество
вещества в 1000 г растворителя (m) вычисляется из пропорции а : b =
1000𝑎
m : 1000, откуда m = 𝑏 .
Подставляя значение m в уравнение (5), получим:
M=
𝐾1000𝑎
.
∆𝑇𝑏
8
(6)
Таким образом, для определения молекулярного веса вещества
необходимо измерить, как указано в работе 1, депрессию раствора a (г)
этого вещества в b (г) растворителя и, взяв из табл. 1 значение К для
данного растворителя, произвести вычисление М по уравнению (5).
Работа 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТЕПЕНИ ДИССОЦИАЦИИ
ЭЛЕКТРОЛИТА
Заменяя в уравнениях осмотическое давление депрессией, находим:
α=
∆𝑇эксп − ∆𝑇теор
(𝑛 − 1)∆Ттеор
.
(6)
Таким образом, для определения степени диссоциации электролита необходимо измерить, как указано в работе 1, депрессию раствора электролита известной молекулярной концентрации С, затем
вычислить теоретическую депрессию этого раствора по уравнению (2)
и, подставив значения депрессии в уравнение (6) найти α.
9
Литература
Обязательная
1. Евстратова К. И., Купина Н. А., Малахова Н. Е. Физическая и коллоидная химия. М.: Высшая школа, 1990.
2. Общая химия. Биофизическая химия / Ю. А. Ершов [и др.]. М.: Высшая школа, 1993.
3. Фролов Ю. Г. Курс коллоидной химии. М.: Химия, 1982.
Дополнительная
4. Харитонов Ю. Я. Учение о химическом равновесии. Ч. I. Теоретическое введение. М.: Изд-е МХТИ, 1981.
5. Ершов Ю. А. Физическая и коллоидная химия. Конспекты лекций. Ч. I
(пособие для самостоятельной подготовки). М.: Изд-е «Русский врач» ММА
им. И. М. Сеченова, 2004.
6. Ершов Ю. А. Физическая и коллоидная химия: Конспекты лекций.
Ч. 2 (пособие для самостоятельной подготовки). М.: Изд-е ММА им. И. М.
Сеченова, 1999.
7. Методическое пособие «Лабораторные занятия по физической и коллоидной химии для студентов фармацевтического факультета» (часть 1) /
А. М. Кононов [и др.]. М.: ММА им И.М. Сеченова. 2001.
8. Краткий справочник физико-химических величин / Под редакцией
А. А. Равделя, А. М. Пономаревой, Л.: Химия, 1983.
9. Соловьев Ю. И. Очерки по истории физической химии. М., 1984.
10. Щур А. М. Высокомолекулярные вещества. М., 1981,
11. Фридрихсберг Д. Курс коллоидной химии. Л., 1984.
12. Захарченко В. Н. Сборник задач и упражнений по физической и коллоидной химии. М., 1978.
13. Захарченко В. Н. Коллоидная химия. М., 1989.
14. Никольский Б. П. Физическая химия. Л., 1987.
10